带三维结构的惯性MEMS器件的微细铣削加工

　　惯性器件的小型化是未来的发展趋势, 有利于提高可靠性, 提高系统的抗过载能力, 提高系统的集成度. 微惯性测量装置具有明显的军民两用特点. 在民用方面可用于通用航空、车辆自动驾驶和控制、机器人以及工业自动化等. 在军事应用方面, 由微机电陀螺和微机电加速度计集成的微型惯性系统在常规兵器中有十分广阔的前景, 如战术寻的头的稳定、自动驾驶仪、短时飞行导弹、联合攻击弹药、防区外攻击系统等. 微型惯性测量装置是未来军用武器装备中的支撑技术和关键技术. 而对我国来说, 发展基于微陀螺、微加速度计的微惯性测量系统具有更重要的意义, 它不仅使得我国有可能在未来的世界相关市场占据有利地位, 而且可能在新兴的应用市场上占有一席之地, 其应用成果还能对国防起到一定作用[ 1 ] .

　　目前, 新型微惯性器件主要基于微硅工艺. 常用的硅工艺主要分为面硅工艺和体硅工艺. 此类微加工工艺具有技术成熟, 生产批量的, 成本低等优点. 但是, 同时也具有非常明显的缺点, 例如, 无法实现高精度的3D 结构的加工, 不能满足非硅类器件的加工等. 此类传感器在精度和稳定性方面存在问题, 且其加工工艺尚未成熟, 难以较快应用到高精度的惯导系统中. 目前国内基于硅微工艺的微加速度计的最高精度为10- ³ g , 而微陀螺的最高稳定性表现为0. 1°/ h, 远远不能达到导航级的要求[ 2] .

　　为提高惯性器件的精度和稳定性, 提高器件的加工精度是一个重要的前提. 目前, 针对惯性MEMS 器件的微细加工技术除了前面提到的常规的硅工艺之外,还开发出了LIGA、高能束微细加工( 包括激光束、离子束等) 以及微细放电加工等[ 3] . 其中, LIGA 可以实现高精度、高深宽比的三维金属微结构的加工,但是LIGA 技术需要昂贵的同步辐射光源和特制的LIGA 掩模板, 加工周期长[ 4] . 同时, 对于采用特种合金材料的微细机构件, LIGA 技术中的微电镀工艺具有较大的局限性. 激光束加工是利用高能量激光脉冲对固体直接加工, 主要是基于激光烧蚀过程.在烧蚀过程中, 固体材料所吸收的激光能量使材料从加工表面喷射出来. 与硅基MEMS 加工技术相比, 脉冲激光微加工技术不仅适用于多种材料, 且能够加工出具有亚微米精度的三维微型结构. 但是, 激光加工往往会产生热影响区, 对加工区附近材料的化学、物理性能有较大影响, 同时加工面的表面粗糙度不佳. 离子束加工, 特别是聚焦离子束加工, 可以实现特征尺寸在微米级的微结构加工, 但是加工效率太低, 而且需要真空环境, 系统的安装调试不便.微细电加工作为一种低成本、高材料选择度的柔性非接触式加工技术, 在微加工中具有独特的工艺优势, 尤其在加工优越、材料性能、高深宽比、金属微结构方面凸现强势[ 6] . 但是对于特征尺寸只有几个微米的薄壁类微结构, 微细电加工产生的电蚀层将会给所加工零件的设计性能大打折扣.